Функции биосферы

Главная функция биосферы безусловно заключается в обеспечении круговоротов химических элементов. Все функции биосферы так или иначе предопределены деятельностью живого вещества в биосфере, которые в определенной степени условно можно свести к нескольким основополагающим функциям. В.И. Вернадским отмечал, что все без исключения геохимические фун­кции живого вещества в биосфере могут выполняться простейшими одноклеточными организмами. Однако одна форма жизни не может выполнять все геохимические функции. Именно поэтому, в ходе геологическо­го времени, происходила смена разных организмов, которые замещали друг друга в исполнении функции без изменения самой функции. Ученым было выделено девять биогеохимических функций биосферы:

- газовая (все газы атмосферы создаются и изменяются био­генным путем);

- кислородная (образование свободного кислорода);

- окислительная (окисление бедных кислородом соединений);

- кальциевая (выделение кальция в виде чистых солей);

- восстановительная (создание сульфидов металлов и серово­дорода);

- концентрационная (скопление элементов рассеянных в ок­ружающей среде);

- функция разрушения органических соединений (разложение с выделением воды, углекислого газа и азота);

- функция восстановительного разложения (образование серо­водорода, метана, водорода и т. п.);

- функция метаболизма и дыхания (поглощение кислорода и воды, выделение углекислого газа с миграцией органических элемен­тов).

Современная классификация несколько видоизменена - некоторые биогеохимические функции объединены, а часть переименована. Наиболее современной является классификация, предложенная А.В. Лапо[8], в которой выделены следующие функции: газовая; энергетическая; окислительно-восстановительная; концентрационная; деструктивная; транспортная; средообразующая; рассеивающая.

Газовая функция. Под газовой функцией понимается способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. В частности, включение углерода в процессы фотосинтеза, а затем в цепи питания обусловливало аккумуляцию его в биогенном веществе (органические остатки, известняки и т.п.) В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего двуокиси (СО₂) в атмосфере с десятков процентов до современных 0,03%. Это же относится к накоплению в атмосфере кислорода, синтезу озона и другим процессам.

С газовой функцией в настоящее время связывают два переломных периода (точки) в развитии биосферы. Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от современного уровня (первая точка Пастера). Это обусловило появление первых аэробных организмов (способных жить только в среде, содержащей кислород). С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Это произошло примерно 1,2 млрд. лет назад. Второй переломный период в содержании кислорода связывают со временем, когда концентрация его достигла примерно 10 % от современной (вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образования озонового экрана в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши (до этого функцию защиты организмов от губительных ультрафиолетовых лучей выполняла вода, под слоем которой возможна была жизнь).

В ходе эволюции регуляция газового состава осуществлялась как в результате жизнедеятельности организмов и при разложении их остатков, так и при процессах метаморфизации и вулканизма. Выделяемый диоксид углерода живыми организмами и образующийся в ходе различных превращений в неживой природе (например, сжигание топлива) в ходе фотосинтеза СО₂ связывается наземными и водными растениями, с образованием кислорода. Так, например, зеленая масса насаждений на площади 1 га способна производить до 70 т кислорода за вегетационный период. Вернадский считал, что большинство газов, выделяемых при метаморфизме горных пород и извержении вулканов, по своему происхождению биогенны, т.к. являются преобразованными продуктами жизнедеятельности организмов.

Энергетическая функция. Эта функция определяется свойствами светочувствительного вещества - хлорофилла зеленых растений, благодаря которому растения способны улавливать, ассимилировать, трансформировать и аккумулировать солнечную энергию, преобразуя ее в энергию химических связей молекул органических веществ. Органические вещества, созданные зелеными растениями, служат источником энергии для представителей иных царств живых существ.

С энергетической точки зрения образова­ние живого вещества - это процесс поглощения солнечной энергии, которая в потенциальной форме аккумулируется в свободном кисло­роде и органических соединениях. Фотосинтез является первичным источником всей биомассы планеты, в том числе органических ископаемых. Наземная и водная растительность планеты способна аккумулировать в течение 1 года 31021 Ккал. энергии Солнца (примерно в 100 раз больше, чем вырабатывается во всем мире). Минерализация органических со­единений как внутри живых организмов, так и во внешней среде со­провождается освобождением энергии, поглощенной при фотосинтезе. Энергия освобождается не только в тепловой, но и химической форме, носителями которой служат природные воды: обогащаясь СО₂, Н₂S и другими продуктами минерализации, воды становятся химически вы­сокоактивными, преобразуя компоненты неживой природы. Бла­годаря автотрофам солнечная энергия не просто отражается от по­верхности Земли, а глубоко проникает вглубь земной коры.

Окислительно-восстановительная функция. Функция связана с интенсификацией под влиянием живого вещества таких процессов как окисление (благодаря обогащению среды кислородом), так и восстановление элементовс переменной валентностью, таких как азот, сера, железо, марганец и др., и прежде всего в тех случаях, когда идет разложение органических веществ при дефиците кислорода. Восстановительные процессы обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода, а также метана. Это, в частности, делает практически безжизненными глубинные слои болот, а также значительные придонные толщи воды (например, в Черном море).

Микроорганизмы-восстановители гетеротрофны и используют в качестве источника энергии готовые органические вещества. К ним относятся, например,

- денитрифицирующие бактерии, восстанавливающие из окисленных форм азот до элементарного состояния;

- сульфатредуцирующие бактерии, восстанавливающие из окисленных форм серу до сероводорода (H₂S).

Микроорганизмы-окислителимогут быть какавтотрофами,так игетеротрофами. Это бактерии, окисляющие сероводород и серу, и нитрофицирующие микроорганизмы, железные и марганцевые бактерии, концентрирующие эти металлы в своих клетках.

Геологические результаты деятельности этих организмов проявляются в образовании осадочных месторождений серы, образовании залежей сульфидов металлов, возникновение железных и железомарганцевых руд.

Концентрационная функция. Концентрационная функция есть накопление определенных веществ в живых существах. Раковины моллюсков, панцири диатомовых водорослей, скелеты животных — все это примеры проявления концентрационной функции живого вещества.

Данная функция связана с избирательным поглоще­нием веществ из внешней среды. Это может быть концентрация в ион­ной форме из истинных растворов (так строят скелет морские беспо­звоночные) или из коллоидных растворов фильтрующими организма­ми. Организмы массами извлекают из ненасыщенных растворов угле­кислые соли кальция, магния и стронция, кремнезем, фосфаты, йод, фтор и др. Водоросли концентрируют элементы, содержащиеся в среде в концентрациях не менее 10 мг/л, более энергично действуют бакте­рии. Животные потребляют их из живого вещества автотрофов, кон­центрация многих элементов в них выше, чем в автотрофах. Некото­рые элементы сильно концентрируются в продуктах выделения жи­вотных (например, содержание урана в гуано[9] побережья Перу в 10 тыс. раз выше, чем в морской воде). Некоторые элементы концентрируются очень немногими организмами, но в значительных количествах, например редкий элемент ванадий входит в состав крови примитивных хордовых - асцидий, их культивируют в Японии. В Новой Зеландии нашли кустарник, в золе листьев которого содержится до 1% никеля.

Для оценки степени концентрации элементов живыми организ­мами применяют коэффициент биологического поглощения. Если раз­делить содержание элементов в золе наземных растений на их процент в почве, то полученные коэффициенты составят для кальция, натрия, калия магния, стронция, цинка, бора, селена единицы и десятки, а для фосфора, серы, хлора, йода и брома десятки и сотни.

У морских орга­низмов отношение содержания металлов на сухой вес к их содержа­нию в морской воде измеряется десятками и сотнями тысяч (для тита­на железа, марганца, никеля и кобальта), а иногда и превышают мил­лион (хром). В целом говорят о биофильности элементов биосферы: отношения их среднего содержания в живом веществе к содержанию данного элемента в литосфере. Наибольшей биофильностью характе­ризуется углерод, менее биофильны азот и водород.

Концентрация химических элементов живым веществом может проявляться в виде морфологически оформленных минеральных обра­зований и в виде органоминеральных соединений. Минеральные обра­зования являются продуктами секреции специальных желез, мине­ральный скелет живых организмов может быть карбонатный, фосфат­ный, сульфатный, образованный гидратами, гидроокисями и силика­тами. Скелет животных может быть внутренним и наружным. Мине­ральная составляющая высших растений представлена фитолитами - продуктами выделения в виде кристаллов или округлых включений, состоящих из кремнезема или щавелевокислого кальция. Некоторые многоклеточные водоросли предпочитают подпорки из карбоната кальция. У некоторых животных скелет может быть построен из двух минералов, а иногда в их теле представлен и какой-нибудь третий ми­нерал. Например, у некоторых моллюсков раковины сложены из ара­гонита и кальцита, а жевательный аппарат инкрустирован кристаллами гетита - гидрата окиси железа.

Наибольшее количество минералов образуют многоклеточные животные: моллюски (20 минералов) и позвоночные (17). Большинст­во минеральных образований плохо растворимо в морской воде и по­сле отмирания организмов накапливается в осадках. Органоминераль­ные образования быстро разлагаются и вновь включаются в биологи­ческий круговорот.

Рассеивающая функция – функция живого вещества противоположная по результатам концентрационной функции. Она проявляется через трофическую (питательную) и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов при разного рода перемещениях в пространстве, смене покровов. Железо гемоглобина крови рассеивается, например, кровососущими насекомыми и т. п.

Деструктивная функция. Основной механизм этой функции связан с круговоротом веществ. Минерализация органических веществ, разложение отмершей органики до простых неорганических соединений определяет деструктивную функцию живого вещества. За счет жизнедеятельности огромного числа гетеротрофов, в основном грибов, животных и микроорганизмов, происходит гигантская в масштабах всей Земли, работа по разложению органических остатков. С учетом потребности в кислороде выделяют 2 основных типа процессов разложения: аэробное дыхание[10] и анаэробное[11] дыхание.

Аэробное дыхание – это процесс обратный "нормальному фотосинтезу". В этом процессе синтезированное органическое вещество {СН₂O}_n вновь разлагается с образованием СО₂ и H₂О и с высвобождением энергии. Все высшие растения и животные и большинство микроорганизмов получают энергию для поддержания жизнедеятельности и построения клеток именно с помощью этого процесса.

Анаэробное (бескислородное) дыхание служит основой жизнедеятельности главным образом у сапрофагов (бактерии, дрожжи, плесневые грибы, простейшие), хотя, как звено метаболизма, оно может встречаться и в некоторых тканях высших животных. Хороший пример облигатных анаэробов - метановые бактерии, которые разлагают органические соединения, образуя метан путем восстановления, либо органического углерода, либо углерода карбонатов. К общеизвестным организмам, использующим брожение, относятся дрожжи, в изобилии встречаются в почве, где играют ключевую роль в разложении растительных остатков.

Многие группы бактерий (например, факультативные анаэробы) способны и к аэробному и к анаэробному дыханию. Однако конечные продукты этих двух процессов различны, и количество высвобождающейся энергии при анаэробном дыхании значительно меньше. Итак, при деструкции органической массы протекают два параллельных процесса разложение органических соединений:

- в конечном счете до углекислого газа, аммиака и воды в аэробных условиях, а

- в анаэробных условиях еще и до водорода и углеводородов, что представляет собой процесс минерализации. Продукты минерализации вновь используются автотрофами.

Процесс разложения органических веществ, характерен для всех частей биосферы, где есть живые организмы. Часть органического вещества, попадая в условия, неблагоприятные для деятельности деструкторов, захоранивается и консервируется в составе осадочных пород, именно эта некоторая несбалансированность процессов синтеза и разложения органических веществ в биосфере определила кислородный режим современной воздушной оболочки Земли.

Однако процесс разложения имеет место не только для органического вещества, разлагается также и неорганическое вещество. Например, "сверлящие'’ цианобактерии и некоторые водоросли селятся на карбонатных породах, возвращая в биологический круговорот каль­ций, магний, фосфор. Коралловые рифы разгрызаются некоторыми рыбами и морскими ежами, которые поглощают карбонаты кальция, а извергают известковый ил. Алюмосиликаты разлагаются при химиче­ском воздействии: цианобактерии, бактерии, грибы, лишайники воз­действуют на горные породы растворами угольной, азотной, серной кислот (с концентрацией до 10%). Корни елей на бедных почвах также выделяют сильные кислоты. Химически разлагаются в биосфере као­лин, апатит и многие другие минералы. Разлагая минералы, организмы избирательно поглощают из них макро- и микроэлементы. Так, слоновая трава в африканских сава­нах извлекает с 1 га за год 250 кг кремния и 80 кг щелочных и щелоч­ноземельных элементов, а растительность джунглей - даже 8 т крем­ния.

Транспортная функция. Транспортная функция связана с переносом вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Часто такой перенос осуществляется на колоссальные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения). Пищевые взаимодействия живого вещества приводят к перемещению огромных масс химических элементов и веществ как против сил тяжести, так и в горизонтальном направлении, в то время как не­живое вещество в биосфере перемещается только под действием силы тяже­сти, исключительно сверху вниз. Живое вещество – единственный (помимо поверхностного натяжения) фактор, обусловливающий обратное перемещение вещества – снизу вверх (например, растения перемещают растворы из подземных органов в надземные), против уклона местности, из океана – на континент, реализующий, восходящую ветвь биохимических циклов. В горизонтальном перемещении веществ главную роль играют птицы, крылатые насекомые, а также стаи морских рыб, поднимающихся на нерест вверх по рекам. Перенос вещества при этом сопоставим с дей­ствием смерчей и ураганов.

В обобщающем виде роль живого вещества сформулирована законом биогенной миграции атомов (А.И. Перельман предложил назвать «законом Вернадского»): «Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция) или же она протекает в среде, геохимические особенности которой преимущественно обусловлены живым веществом как тем, которое в настоящее время населяет данную систему, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории».

Средообразующая функция. Эта функция является в значительной мере результатом совместного действия других функций (интегративной). В конечном счете именно с ней связано преобразование живым веществом физико-химических параметров среды.

Эту функцию можно рассматривать как глобально - вся природная среда создана живыми организмами, они же и поддерживают в относительно стабильном состоянии ее параметры практически во всех геосферах, так и в более узком смысле. В более узком плане средообразующая функция живого вещества проявляется, например, в образовании почв или в том, что леса регулируют поверхностный сток, увеличивая при этом влажность воздуха и обогащая атмосферу кислородом. В. И. Вернадский, как отмечалось выше, почву называл биокосным телом, подчеркивая тем самым большую роль живых организмов в ее создании и существовании.

Локальная средообразующая деятельность живых организмов и особенно их сообществ проявляется также в трансформации ими метеорологических параметров среды. Известно, что в лесных сообществах микроклимат существенно отличается от открытых (полевых) пространств. Например, здесь меньше суточные и годовые колебания температур.

Наиболее очевидное проявление средообразующей функции - механическое воздействие, или второй род геологической деятельности живого. Многоклеточные животные, строя свои норы в грунте, сильно изменяют его свойства (при рыхле­нии червями объем воздуха увеличивается в 2,5 раза). Изменяют меха­нические свойства почвы и корни высших растений, скрепляют, пре­дохраняют от эрозии. Например лес способен удерживать почву на склоне 20-40°. Подобно дейст­вуют нитчатые цианобактерии, создающие подобие сети, которая за­щищает почву от эрозии (например в горных почвах Таджикистана содержится иногда более 100 м нитчатых цианобактерий в 1 г почвы - это уже не почва, а войлок).

К основным параметрам, характеризующим физико-химическое состояние среды, относится водородный показатель[12] и окислительно-восстановительный потенциал[13]. Биогенное вещество, образующееся после отмирания живого, попадая на дно водоемов, в болотные почвы, разлагается, и в условиях недостатка кислорода формируется резко восстановительная среда.

Основные газы атмосферы образуются биогенно: кислород и азот, кроме того, доказано, что 50% водорода возникает в результате деятельности живых организмов. Окись углерода также биогенна, в водах океана ее содержание в сотни раз превышает концентрацию, равновесную с атмосферой.

Через биогенное вещество меняется состав природных вод. Продукты разложения степных трав образуют растворы нейтральной и слабобощелочной реакции, полыни и опад саксаула - щелочной, а масса отмершей хвои, вереска, лишайников и сфагнума - кислой.

В донных осадках физико-химическая обстановка опре­деляется наличием органического вещества: восстановительная созда­ется при разложении органики сульфатвосстанавливающими бакте­риями с образованием сероводорода (при наличии сульфатов). Если не удаляется сероводород идет самоотравление системы (сероводородная зона Черного моря).

Наибольшее средообразующее влияние оказывают микроорга­низмы, они изменяют среду в соответствии с потребностями. В силь­нокислой среде выделяют нейтральные продукты, в щелочной - ки­слоты. По мнению некоторых ученых, эволюция микроорганизмов шла по пути развития способности изменять среду.

Недавно установлено, что живое вещество изменяет не только химические, но и физические параметры среды, ее термические, элек­трические и механические характеристики. Например, в Черном и Белом морях обнаружен "биоэлектрический эффект": фитопланктон создает электрическое поле с отрицательным зарядом, а скопление отмершего планктона - с положительным зарядом.

Наука получает все новые данные о средообразующей роли жи­вого, при этом растения воздействуют на газовый состав атмосферы и ионный состав океанической воды, а животные почти не влияют на атмосферу, но изменяют катионный состав морской воды.

Дата добавления: 2014-10-31